DE921024C - Verfahren zur Herstellung von Kieselsaeurehydrosolen, die im wesentlichen alkalifrei sind - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kieselsaeurehydrosolen, die im wesentlichen alkalifrei sind

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DE921024C
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    • C01B33/141Preparation of hydrosols or aqueous dispersions
    • C01B33/142Preparation of hydrosols or aqueous dispersions by acidic treatment of silicates
    • C01B33/143Preparation of hydrosols or aqueous dispersions by acidic treatment of silicates of aqueous solutions of silicates

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von Kieselsäurehydrosolen, die im wesentlichen alkalifrei sind Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung im wesentlichen alkalifreier Kieselsäurehydrosole durch Verwendung von Kationenaustauschern.
  • Es ist bekannt, Kieselsäurehydrosole herzustellen, indem man verdünnte Natriumsilikatlösungen mit Kationenaustauschern in Berührung bringt. Bei den bisher bekannten Verfahren wird die Lebensdauer des Kationenaustauschers nach einigem Gebrauch verringert, insbesondere, wenn Hydrosole von einem Kieselsäuregehalt von über etwa 3 % hergestellt werden. In oder auf dem Austauscher scheidet sich Kieselsäuregel aus, was zu einem Verlust an Austauschkapazität und bzw. oder Austauschgeschwindigkeit führt. Die Polymerisationsgeschwindigkeit von Kieselsäure wird in großem Maße durch den pH-Wert der Umgebung beeinflußt. Die Polymerisation von Kieselsäure erfolgt insbesondere im pH-Bereich von etwa 5 bis 8,5 sehr schnell. Bei den bisherigen Verfahren, bei denen alkalische Natriumsilikatlösungen durch ein säureregeneriertes Kationenaustauschharz perkoliert wurden, um ein saures Kieselsäurehydrosol herzustellen, strömte die Flüssigkeit ziemlich langsam durch diesen kritischen pH-Bereich, in welchem die Polymerisation der Kieselsäure schnell verläuft. Es ist anzunehmen, daß dies einer der Gründe für die Abscheidung von Kieselsäure auf dem Austauschharz und den Verlust von Austauschkapazität ist, wenn man nach dem bisher bekannten Verfahren höher konzentrierte Kieselsäurehydrosole von einem Kieselsäuregehalt von über etwa 31/o herstellt. Gemäß der Erfindung vermeidet man diese Schwierigkeit, indem man den kritischen pH-Bereich in einer außerhalb des Harzbettes angeordneten, gesonderten Mischzone schnell durchschreitet.
  • Gemäß der Erfindung mischt man Natriumsilikat in Abwesenheit des Kationenaustauschers in bekannter Weise mit einer Säure, um ein Kieselsäurehydrosol zu bilden, und bringt das gesamte mit Säure versetzte Gemisch, welches das Kieselsäurehydrosol enthält, mit einem Kationenaustauscher in Berührung, um die Natriumionen zu entfernen. Dadurch gewinnt man ein stärker konzentriertes Kieselsäurehydrosol, als es bisher möglich war, ohne daß sich Kieselsäuregel auf dem Austauscher abscheidet. Nach Entfernung der Säure ist das Kieselsäurehvdrosol im wesentlichen rein.
  • y Auf diese Weise kann der pH-Wert der kieselsäurehaltigen Masse bei der nachfolgenden Behandlung mit dem Harz oder anderem Austauschstoff zu jeder Zeit unterhalb des kritischen Bereiches gehalten werden, in welchem eine schnelle Polymerisation des Kieselsäurehydrosols zu Gel eintritt.
  • Beispiele für Säuren, die verwendet werden können, sind Essigsäure, Propionsäure, Chloressigsäure, Ameisensäure, Weinsäure, Salpetersäure, schweflige Säure oder Schwefeldioxyd, welche aus dem Hydrosol durch Behandlung mit einem Lösungsmittel wie Chloroform oder einem Kohlenwasserstoff entfernt werden können. Eine der bevorzugt verwendeten Säuren ist schweflige Säure, welche ausgewählt wurde, weil sie etwa den gewünschten Aziditätsgrad hat und leicht aus dem fertigen Kieselsäurehydrosol entfernt und zur Wiederverwendung abgetrennt werden kann. Es kann auch deshalb vorteilhaft sein, flüchtige Säuren, wie schweflige Säure, zu verwenden, weil deren Anion aus dem aus dem Hydrosol erhaltenen Kieselsäuregel oder dem kieselsäurehaltigen Katalysator während der Trocknung oder der üblichen Aktivierung durch i- bis 24stündiges Erhitzen auf 26o bis 649° verflüchtigt werden kann.
  • Wenn flüchtige Säuren, wie schweflige Säure, zur Herstellung des Hydrosols verwendet werden, wird das vom Kationenaustauscher abgezogene Hydrosol in eine Destillations- oder anderweitige Trennzone geführt, in der Schwefeldioxyd als Kopfanteil übergeht und zur Wiederverwendung im Verfahren abgeschieden wird, während das von der schwefligen Säure befreite, gereinigte saure Kieselsäurehydrosol .als Bodenanteil gewonnen wird. Man kann das Schwefeldioxyd außer durch Destillation auch durch Einblasen von Luft oder Inertgas, wie Naturgas, in einer Abtreibzone entfernen und dann das Schwefeldioxyd als wäßrige Lösung gewinnen, indem man mit Wasser auswäscht, oder man kann S 02 durch Adsorption mit einem geeigneten Adsorptionsmittel, wie Kohle, abtrennen. Wenn es gewünscht wird, die Temperatur, welcher das Kieselsäurehydrosol in der Destillationszone ausgesetzt ist, so tief wie möglich zu halten, kann die Destillation bei Unterdruck ausgeführt werden.
  • Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist es wesentlich, daß die Reaktion des Gemisches von Natriumsilikat und Säure im sauren Gebiet liegt und daß deshalb ein Säureüberschuß über die zur Neutralisation des Natriumsilikats erforderliche Menge vorhanden ist. Vorteilhaft soll der pH-Wert des Gemisches von Natriumsilikat und Säure zwischen etwa 2 bis 5, vorzugsweise unter ¢ liegen.
  • In der Zeichnung ist ein Verfahren zur Durchführung der Erfindung erläutert, bei dem man schweflige Säure verwendet. Die Abbildung zeigt eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anlage.
  • Gemäß dieser Zeichnung wird eine Natriumsilikatlösung oder die Lösung eines anderen Alkalisilikats oder ein alkalisches Kieselsäurehydrosol durch Rohrleitung io in die Anlage eingeleitet. Ein alkalisches Kieselsäurehydrosol läßt sich aus einer Natriumsilikatlösung durch Teilentfernung von Natrium nach mehreren Methoden erhalten, z. B. durch Dialyse oder durch Behandlung mit einem säureregenerierten Kationenaustauscher in Mengen, die zur vollständigen Entfernung des Natriums nicht ausreichen, oder durch Behandlung mit einem Kationenaustauschharz im Ammoniumzyklus. Im letztgenannten Falle kann das Ammoniak aus dem alkalischen Sol durch Destillation oder durch Austreibung mit einem Gas entfernt werden, vorausgesetzt, daß das alkalische Sol noch genügend Natrium enthält, um als Stabilisator zu wirken, indem es den pH-Wert über etwa 9,5 hält, nachdem das Ammoniak entfernt ist. Indessen reicht es für das Verfahren nach der Erfindung vollkommen aus, Natriumsilikatlösungen ohne jede vorherige Teilentfernung von Natrium zu verwenden. Die Lösungen der handelsüblichen Wassergläser, z. B. eines solchen von der Zusammensetzung Nag 0 - 3,25 S'02, sind für das vorliegende Verfahren geeignet.
  • Das durch Rohrleitung io strömende Sol oder die Silikatlösung wird schnell mit einem Gemisch von schwefliger Säure gemischt, das Kieselsäurehydrosol enthält und vom Boden des Waschturmes 12 durch Rohrleitung i¢ und Kühler 15 abgezogen wird. Die schnelle und gründliche Durchmischung wird durch Pumpe 16 oder andere geeignete Einrichtungen erzielt. Die Pumpe 16 kann als Zentrifugalpumpe ausgebildet sein, bei der die Rührwelle eine schnelle Durchmischung der aus Rohrleitung io einströmenden Natrium-Silikat-Lösung mit dem aus Rohrleitung i¢ zuströmenden Gemisch von schwefliger Säure verursacht. An Stelle der Durchmischung in der Pumpe kann die Durchmischung in Rohrleitung 18 durch geeignete Querschnittbegrenzungen, wie eine Venturidüse, erfolgen. Die Temperatur der Mischzone soll unterhalb etwa ¢9°, vorzugsweise unterhalb etwa 38° gehalten werden.
  • Ein Teil des erhaltenen Gemisches wird aus Rohrleitung 18 durch Rohrleitung 22 abgezogen und über den Kationenaustauscher 2¢ geleitet. Dort tritt das Gemisch mit einem körnigen säureregenerierten Kationenaustauschharz oder anderem Material in Berührung, das als eine im wesentlichen feste, senkrecht angeordnete Säule eingesetzt wird. Das Gemisch aus Rohrleitung 22 kann die Zone 24 sowohl aufwärts als auch abwärts durchströmen. Der Rest des Gemisches in Rohrleitung 18 wird in den Waschturm 12 geleitet, wie anschließend beschrieben wird.
  • In der Austauschzone 24 werden Natrium- oder andere Alkaliionen entfernt, und das aus Zone 24 abströmende Gut ist ein im wesentlichen alkalifreies Kieselsäurehydrosol, welches schweflige Säure enthält. Es wird durch Rohrleitung 26 und Heizvorrichtung 28 geleitet, in der die saure Lösung des Kieselsäurehydrosols auf eine Temperatur von etwa 49 bis 77° erhitzt wird. Nun leitet man die erhitzte Lösung durch Rohrleitung 32 in den oberen Teil eines Abtreibturmes 34, welcher auf im wesentlichen gleicher Temperatur gehalten wird. Luft oder Inertgas, wie Naturgas, wird in den unteren Teil des Abtreibturmes 34 durch Rohrleitung 36 eingeführt, um Schwefeldioxyd aus dem Kieselsäurehydrosol auszutreiben. Dieses Schwefeldioxyd wird vom Kopf durch Rohrleitung 38 abgezogen und dem Boden des obenerwähnten Waschturmes 12 zugeführt.
  • Insbesondere wenn stärker konzentrierte Hydrosole von einem Kieselsäuregehalt von beispielsweise über 8% erzeugt werden sollen, kann es empfehlenswert sein, das Hydrosol nicht zu erhitzen, um den Polymerisationsgrad der Kieselsäure so tief wie möglich zu halten. In diesem Falle umgeht man die Heizvorrichtung 28 durch Rohrleitung 29 und führt die zur Verdampfung des Schwefeldioxyds aus dem Hydrosol erforderliche Wärme durch Aufheizung des Abtreibgases zu, das dem Abtreibturm 34 durch Rohrleitung 36 zugeführt wurde. Auf diese Weise kann Schwefeldioxyd abgetrieben werden, während die Temperatur des Hydrosols unterhalb etwa 49° bleibt.
  • Die vom Boden des Abtreibturmes 34 abgezogene Flüssigkeit wird durch Rohrleitung 42 und Kühler 44 geführt und dann in einen Sammelbehälter gefördert oder in anderer Weise verwendet. Man kann auch den Kühler 44 weglassen, und zwar insbesondere dann, wenn man das hergestellte Kieselsäurehydrosol in ein Kieselsäurehydrogel umwandeln will, um es in dieser letztgenannten Form zu verwenden. Die vom Boden des Abtreibturmes 34 abgezogene Flüssigkeit besteht aus einem im wesentlichen reinen Kieselsäurehydrosol, dessen Kieselsäurekonzentration etwa 3 bis 15 Gewichtsprozent beträgt; es enthält weniger als etwa o,i Gewichtsprozent Na20 auf Trockenbasis.
  • Die vom Boden des Waschturmes 12 durch Rohrleitung 14 abgezogene Flüssigkeit enthält Kieselsäurehydrosol, Natriumsulfit und/oder -.\Tatriumbisulfit sowie überschüssige schweflige Säure. Ihr pH-Wert kann etwa i bis 3 betragen. Diese Flüssigkeit wird in Pumpe 16 oder einer anderen Mischvorrichtung schnell mit der aus Rohrleitung io einströmenden Natriumsilikatlösung durchmischt, wie oben beschrieben wurde. Däbei reagiert die überschüssige schweflige Säure aus Rohrleitung 14 mit dem Natriumsilikat aus Rohrleitung io und führt es in Kieselsäurehydrosol und Natriumsulfit und/oder N atriumbisulfit über. Ein Teil des entstandenen Gemisches, das Kieselsäurehydrosol und Natriumsulfit und/oder Bisulfit enthält sowie außerdem noch etwas nicht neutralisierte freie schweflige Säure enthalten und dessen PH etwa 2 bis 5 betragen kann, wird aus Rohrleitung 18 durch Rohrleitung 22 der Austauschzone zugeführt, wie oben beschrieben wurde. Der Rest des Gemisches wird aus Rohrleitung 18 durch Rohrleitung 48 und 52 aufwärts strömend in den oberen Teil des Waschturmes gefördert, um dort als Waschflüssigkeit zur Auswaschung des SO, zu dienen, das dem Boden des Waschturmes in Rohrleitung 38 zugeführt wird. Es empfiehlt sich, diesen Rücklauf durch Rohrleitung 52 in den oberen Teil des Waschturmes 12 zu führen und Ersatzwasser in den oberen Teil des Waschturmes durch Rohrleitung 54 zu leiten, um das Schwefeldioxyd aus dem im Waschturm nach oben strömenden Gas noch vollständiger abzuscheiden. Vom Kopf des Waschturmes 12 wird durch Rohrleitung 56 das im wesentlichen schwefeldioxydfreie Gas abgezogen.
  • Anstatt einen Teil des Gemisches aus Rohrleitung 18 durch Rohrleitung 48 zu leiten, kann man die Hähne in den Rohrleitungen 52 und 58 schließen und das gesamte Gemisch aus Rohrleitung 18 durch Rohrleitung 22 in den Austauscher 24 leiten. In diesem Falle wird im Waschturm 12 Wasser als Waschflüssigkeit verwendet und durch Rohrleitung 54 zugeführt, während man dann durch Rohrleitung 14 vom Boden des Waschturmes eine Lösung von schwefliger Säure abzieht. Diese saure Lösung wird mit dem Natriumsilikat oder dem betreffenden anderen Alkalisilikat vermischt, welches durch Rohrleitung io in die Mischzone 16 einströmt. Indessen ist das an Hand der Zeichnung beschriebene Verfahren die bevorzugte Ausführungsform.
  • Anstatt den Rücklauf durch Rohrleitung 52 in den oberen Teil des Waschturmes 12 zu leiten, kann man den gesamten oder einen Teil des Rücklaufes durch Rohrleitung 58 führen und ihn dem Kopf des Waschturmes 12 zuführen, um die Entfernung des Schwefeldioxyds aus dem Gas im Waschturm zu unterstützen.
  • Im praktischen Betrieb wird mehr als eine Austauschzone 24 mit Kationenaustauschharz verwendet, so daß gleichzeitig ein Austauschbett auf Regenerierung, ein anderes oder andere Austauschbetten auf Austauschen oder Waschen geschaltet sind. Mit 62 ist ein anderes Reaktionsgefäß bezeichnet, das Kationenaustauscher enthält. Seine Zuführungsleitung ist mit 64, seine Ableitung mit 66 bezeichnet. Man kann aber jede beliebige Anzahl von Kationenaustauschbetten verwenden.
  • Durch Rohrleitung 68 kann man der Rohrleitung 38 Schwefeldioxyd als Ersatz für verbrauchte Mengen zuführen.
  • Anstatt die Abtreibzone 34 zu verwenden, kann man das aus dem Kationenaustauschbett 24 abströmende Gut in eine Destillationszone fördern, von deren Kopf man Schwefeldioxyd abzieht und es zur Wiederverwendung gewinnt, während man schwefligsäurefreies,gereinigtes saures Kieselsäurehydrosol als Bodenanteil gewinnt. Diese Destillation kann bei Unterdruck ausgeführt werden, um die Destillationstemperatur herabzusetzen. Anstatt Schwefeldioxyd durch Wasser auszuwaschen, kann man es auch mit einem Adsorptionsmittel, wie Aktivkohle, abtrennen und zur Wiederverwendung gewinnen.
  • Als Kationenaustauscher verwendet man vorzugsweise ein säureregeneriertes Kationenaustauschharz. Derartige Kationenaustauschharze sind im Handel erhältlich. Sie werden durch Kondensation von Aldehyden, wie Formaldehyd, mit bestimmten Phenolsulfonsäuren od. dgl. gewonnen. Andere Austauschstoffe, die sich verwenden lassen, sind verschiedene mit Schwefelsäure behandelte Produkte, wie Kohle, Holz, Erdölabfallschlämme oder Lignit od. dgl. Man kann auch Austauschharze vom Typ sulfonierter Polystyrole verwenden. Diese Austauschstoffe werden mit einer Säure, wie Schwefel-oder Salzsäure, behandelt, um sie in den Wasserstoffzyklus zu bringen, damit sie für die Entfernung von Kationen, in diesem besonderen Falle Natriumionen, verwendet werden können.
  • Nachdem der Kationenaustauscher einige Zeit verwendet ist, nimmt seine Austauschkapazität infolge Anhäufung von Natriumionen ab, worauf man ihn regenerieren muß. Die Regenerierung ist immer notwendig, wenn ein Natriumdurchbruch erfolgt, d. h. wenn der Natriumgehalt des abströmenden Gutes den für das Endprodukt gewünschten Wert überschreitet. Dieser läßt sich durch verschiedene Geräte bestimmen, welche auf die elektrische Leitfähigkeit, den PH-Wert oder andere Eigenschaften des aus der Austauschzone abströmenden Hydrosols ansprechen. Für praktische Zwecke empfiehlt es sich indessen im allgemeinen, die Austauschkapazität des jeweiligen für die Natriumionenentfernung verwendeten Harzes vorher zu bestimmen. Das erfolgt am besten in einem kleinen Versuchsaustauschbett, welchem man ein Kieselsäurehydrosol zuführt, das die gleiche Zusammensetzung wie das in Rohrleitung 22 hat. Das aus dem Versuchsbett 'abströmende Gut wird in Teilbeträgen gesammelt, in welchen man getrennt Natrium bestimmt. Aus den so erhaltenen Werten kann man diejenige Hydrosolmenge errechnen, die je Austauschstufe im Austauschbett 24 behandelt werden kann, um noch ein im wesentlichen natriumfreies Hydrosol zu erhalten.
  • Im allgemeinen verarbeitet man je Austauschzyklus etwa io% weniger als das errechnete Volumen, um einen ausreichenden Sicherheitsfaktor gegen den Durchbruch von Natriumionen in das reine Hydrosol zu haben. Das Hydrosolvolumen, das im Austauschbett 24 je Austauschzyklus behandelt werden kann, hängt natürlich von mehreren Bedingungen ab: i. der Art oder der Austauschkapazität des jeweils verwendeten Harzes, 2. der Konzentration des jeweils verwendeten Kieselsäurehydrosols und 3. dem Verhältnis von Natrium zu Kieselsäure in dem durch Rohrleitung io der Anlage zugeführten Natriumsilikat. Nach der Perkolation des gewünschten Raumteiles Hydrosol durch das Austauschbett 24 wird das im Bett verbliebene Hydrosol zunächst mit Wasser verdrängt und das Bett vor der Regenerierung mit Wasser gespült. Es werden nur etwa i bis 2 Raumteile Wasser je Raumteil Harz benötigt, um das Hydrosol zu entfernen und das Harzbett zu spülen.
  • Das Harzbett wird nun mit einer Säure, wie Schwefel- oder Salzsäure, regeneriert, um die Alkaliionen des Harzes durch Wasserstoffionen zu ersetzen, wobei gleichzeitig je nach der zur Regenerierung verwendeten Säure Natriumsulfat oder Natriumchlorid gebildet wird. Die Regenerierungssäure kann zweckmäßig in Form einer Lösung von einer Konzentration von 5 bis io% verwendet werden. Die Menge an Regenerierungssäure, die für jede Regenerierung verwendet wird, kann auf die Natriummenge abgestimmt werden, die durch das Harz aus dem Hydrosol während des Austauschzyklus entfernt wird. Im allgemeinen ist ein beträchtlicher llberschuß von Regenerierungssäure über den dem stöchiometrischen Äquivalent entsprechenden Betrag erforderlich, um eine wirksame Regenerierung zu erzielen. So kann die Gesamtmenge an Säure, die im Regenerierungszyklus eingesetzt wird, 125 bis 2oo% derjenigen Menge betragen, die der durch Austausch auf dem Harz abgeschiedenen Sodamenge stöchiometrisch äquivalent ist. Nach der Regenerierung wird das Austauschbett mit Wasser gewaschen, bis die aus dem abströmenden Gut genommenen Proben frei von Sch-#vefelsäure-bzw. Salzsäureionen sind. Man kann für diese Wäsche 2 bis 5 Raumteile Wasser je Raumteil Harz verwenden. Der Kationenaustauscher ist dann für einen weiteren Austauschzyklus einsatzbereit.
  • Als Beispiel für eine derartige Regeneration wurde eine Säule von etwa 41 Kationenaustauschharz zuerst etwa 20 Minuten mit Wasser gewaschen. Dabei betrug die Strömungsgeschwindigkeit etwa o,o5 ccm/min/g Harz. Hierdurch wurden Kieselsäurehydrosol und andere lösliche Stoffe entfernt. Darauf wurde der Austauscher mit Schwefelsäure behandelt, um die Alkaliionen unter Bildung von Natriumsulfat durch Wasserstoffionen zu ersetzen. Für diese Regenerierung wurden 9o ccm H2 S 04 (ioo%) auf 41 verdünnt. Diese Lösung wurde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,03 ccm/min/g Harz verwendet. Die Harzsäule wurde dann mit Wasser etwa 2o Minuten bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,05 ccm/min/g Harz gewaschen, bis die abströmende Flüssigkeit frei von Schwefelsäureionen war.
  • Konzentration und Strömungsgeschwindigkeit der Natriumsilikatlösung in Rohrleitung io und Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in Rohrleitung 54 werden aufeinander eingestellt, um in dem Kieselsäurehydrosol die gewünschte Kieselsäurekonzentration von etwa 3o bis i5o g Kieselsäure pro Liter Hydrosol zu erhalten. Wenn man beispielsweise Hydro§ol herstellen will, das etwa ioo g Kieselsäure pro Liter enthält, würde man durch Rohrleitung io der Anlage eine Lösung von Na. 0 - 3,25 Si 02 von einer Dichte von etwa 1,1, durch Rohrleitung 54 aber kein Wasser zuführen. Wenn man aber durch Rohrleitung io eine Natriumsilikatlösung (Na20 - 3,25 Si 0..) von einer Dichte von etwa 1,2 zuführen würde, müßte man die gleiche Raummenge Wasser durch Rohrleitung 54 zuführen. Für die Herstellung eines Hydrosols, das ioo g Kieselsäure pro Liter enthält, kann also die Konzentration der Natriumsilikatlösung in einem weiten Bereich geändert und durch den Wasserzufluß in Rohrleitung 54 ausgeglichen werden. Das gleiche gilt natürlich für die Herstellung von Hydrosolen von anderem Kieselsäuregehalt.
  • Ferner wird die Strömungsgeschwindigkeit des dem Boden von Turm 12 durch Rohrleitung 38 zugeführten Schwefeldioxyds und Strömungsgeschwindigkeit und Konzentration der Natriumsilikatlösung in Rohrleitung io so aufeinander abgestimmt, daß sich das Schwefeldioxyd in überstöchiometrischen Mengen gegenüber dem Natrium des Natriumsilikats befindet. In diesem Falle muß man für Berechnungen der stöchiometrischen Äquivalenz das Schwefeldioxyd als einbasische Säure ansetzen. Der Überschuß von Schwefeldioxyd über diese stöchiometrisch errechnete Menge braucht nur etwa 5 bis ioo/o betragen, obgleich man auch einen größeren Überschuß verwenden kann. `Fenn man beispielsweise eine Natriumsilikatlösung verwendet, deren Natrium-Kieselsäure-Verhältnis sich durch die Zusammensetzung Nag 0 - 3,25 Si 02 ausdrücken läßt, sind etwa 0,7 Gewichtsteile Schwefeldioxyd je Gewichtsteil Kieselsäure erforderlich, obgleich man nach Wunsch auch größere Mengen von Schwefeldioxyd verwenden kann.
  • Damit das Schwefeldioxyd wirksam ausgewaschen wird, empfiehlt es sich, die Konzentration an freiem oder nicht gebundenem Schwefeldioxyd oder schwefliger Säure in der Waschflüssigkeit des Turmes 12 merklich unterhalb ihres Sättigungswertes zu halten. Das läßt sich erreichen, indem man den Waschturm 12 mit einem verhältnismäßig hohen Hydrosolrücklaufverhältnis führt, also dem Verhältnis des Rücklaufhydrosols in Rohrleitung 48 zu dem in Rohrleitung 22 in die Ionenaustauschzone 24 strömenden Hydrosol. Dieses Verhältnis kann etwa 2 : 1 bis io : i, vorteilhaft etwa 5 : i betragen. So wird das vom Boden des Turmes 12 durch Rohrleitung 14 abgezogene Hydrosol, welches verhältnismäßig reich an freiem Schwefeldioxyd ist, in der Mischzone 16 mit Natriumsilikat gemischt, das mit dem größten Teil des freien Schwefeldioxyds reagiert, und die Lösungskapazität der im Rücklauf durch Rohrleitung 48 in den Turm zurückgeführten Flüssigkeit für weiteres Schwefeldioxyd wiederhergestellt.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Kieselsäurehydrosols durch das Austauschbett 24 kann zwischen etwa 1,34 - io-2 bis 13,4 - io-2 vorzugsweise etwa 4,69 # io-2 1 Hydrosol pro Minute pro Liter Harz betragen. Diese Strömungsgeschwindigkeit hängt etwas von dem besonderen jeweils verwendeten Austauschharz ab, da einige der Harze schneller als andere austauschen. Bei Kieselsäurehydrosolen von Konzentrationen oberhalb etwa ioo/o neigt Schwefeldioxyd dazu, während der Perkolation aus der Lösung zu entweichen. Durch die dabei im Austauschbett entstehenden Gasblasen sinkt die Wirksamkeit der Perkolation. Dies läßt sich vermeiden, indem man bei Unterdruck arbeitet.
  • Das aus dem gemäß der Erfindung hergestellten Kieselsäurehydrosol erzeugte Kieselgel braucht nicht mit Wasser ausgewaschen zu werden, um Verunreinigungen oder wasserlösliche Anteile zu entfernen.
  • Beispiel i In eine Mischzone werden 325o Gewichtsteile Wasser eingeführt, welches eine Spur Bromphenolblau als Indikator enthält. Hierzu werden abwechselnd in Teilbeträgen insgesamt 322 Gewichtsteile Schwefeldioxyd und 2q.3o"Gewichtsteile Natriumsilikatlösung (Na. 0 - 3,25 Si 02) von einer Dichte von 1,21 zugesetzt. Bromphenol-blau dient dazu, um sicherzustellen, daß der pH-Wert des Gemisches zu keiner Zeit über etwa 3,5 ansteigt. Das erhaltene Gemisch ist ein klares Kieselsäurehydrosol, das Natriumsulfit und/oder Natriumbisulfit und freies Schwefeldioxyd oder schweflige Säure enthält. Dieses Kieselsäurehydrosol wird durch ein Austauscherbett perkoliert, welches vorher säureregeneriert und mit Wasser gewaschen wurde. Die Perkolation wird bei Raumtemperatur, etwa 27'0', mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 4,69 # i o-2 1 Hydrosol pro Minute pro Liter Harz und bei einer Strömungsmenge von insgesamt etwa 18o,9 - i O-2 1 Hydrosol pro Liter Harz durchgeführt. Das flüssige Produkt ist ein im wesentlichen natriumfreies Kieselsäurehydrosol, welches Schwefeldioxyd enthält. Aus ihm wird das Schwefeldioxyd auf zwei Wegen entfernt, nämlich i. erhitzt man einen Teil des schwefeldioxydhaltigen Hydrosols schnell zum Siedens, läßt i Minute sieden und kühlt schnell ab, um eine Gelbildung zu verhindern, und 2. erhitzt man einen zweiten Teil des schwefeldioxydhaltigen Kieselsäurehydrosols auf etwa 66°', bläst 5 Minuten Naturgas ein und kühlt, um die Gelbildung zu verhindern. Das entstandene Hydrosol, welches nach einem der beiden Verfahren von Schwefeldioxyd befreit ist, enthält gemäß der analytischen Bestimmung 7,4Gewichtsprozente S'02 und o,ooo5 Gewichtsprozente Na20. Das Austauscherbett wird i. mit etwa 2 Raumteilen Wasser je Raumteil Harz gespült, 2. mit etwa 2,5 Raumteilen 5o/oiger Schwefelsäure je Raumteil Harz bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 9,38' 10-2 1 pro Minute pro Liter Harz regeneriert, und 3. schließlich mit etwa 5 Raumteilen Wasser je Raumteil Harz gewaschen. Das Harz ist nun für die Wiederverwendung zur Herstellung von weiterem Kieselsäurehydrosol verwendungsbereit.
  • Beispiel e io 1 einer Wasserglaslösung (Na20 - 3,25 Si 02) von einer Dichte von 1,21 (2080g Si 02) kühlt man auf etwa 470 und setzt sie langsam und unter Rühren einer Lösung von Essigsäure zu, die durch Vermischen von 374o ccm Eisessig mit 626o g Eis hergestellt wird. Die Essigsäurelösung wird in ein Gefäß von einem Fassungsvermögen von etwa 38 1 gegeben und während des Zusatzes der Silikatlösung mit einem Propellerrührer kräftig gerührt. Das entstandene Gemisch stellt ein gutes, klares Kieselsäurehvdrosol dar.
  • Dann wird eine 46-cm-Säule von etwa 41 und etwa 3072 g Kationenaustauschharz in körniger Form in seine Wasserstofform gebracht, indem man es mit 9o ccm konzentrierter Scli,"felsäure (iooo/oj, die auf 41 mit Wasser verdünnt ist, behandelt. Das Harz hat eine Teilchengröße von etwa 40o bis 60o Mikron. Die schwefelsaure Lösung wird nun durch die Säule geleitet. Danach wäscht man die Säule mit Wasser, bis die abströmende Flüssigkeit frei von Schwefelsäureionen ist.
  • 1500 ccm des Kieselsäure-Hydrosol-Gemisches, das in der beschriebenen Weise hergestellt wurde, werden nun durch die Säule des säureregenerierten Kationenaustauschharzes mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,04 ccm/min/g Harz perkoliert. Die letzten ioo ccm des von der Austauschbehandlung abströmenden Kieselsäurehydrosols enthalten 8,9 Gewichtsprozente S i 0z bei einem Na., O-Gehalt von o,oi5 Gewichtsprozent.
  • Diese Zahlen zeigen, daß durch den Austausch eine im wesentlichen vollständige Natriumentfernung erzielt wird und man ein Hydrosod von einer verhältnismäßig hohen Kieselsäurekonzentration erhält. Das die Harzsäule verlassende Kieselsäureliydrosol erstarrt in etwa 5 Stunden. Diese Zeit reicht für weitere Behandlungsvorgänge aus, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Kieselsäure-Tonerde-Katalysatoren notwendig sind. Man kann auch die Erstarrungszeit herabsetzen, indem man die pH erhöht oder das Kieselsäurehydrosol auf etwa 49 bis 93°' erhitzt.
  • Auf diese Weise ist es möglich, natriumfreie 7o/oige und ioo/oige Kieselsäurehydrosole herzustellen und dabei das gleiche Austauschbett immer -wieder zu verwenden. nachdem man es mit Säure regeneriert hat, ohne daß die Austauschkapazität leidet oder sich Kieselsäuregel auf dem Harz abscheidet.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren: zur Herstellung von Kieselsäurehydrosolen, die im wesentlichen alkalifrei sind, dadurch gekennzeichnet, daß man in bekannter Weise ein Alkalisilikat mit einer größeren Menge einer Säure behandelt, als sie notwendig ist, um das gesamte Alkalisilikat umzuwandeln,wodurch man ein. Kieselsäurehydrosol gewinnt, welches überschüssige Säure und das Natriumsalz der Säure enthält, worauf man dieses gesamte Gemisch mit einem Kationenaustauscher in Berührung bringt, um die Alkaliionen zu absorbieren und die Säure zu regenerieren, und das Hydrosol von diesem Kationenaustauscher abzieht und aus ihm gegebenenfalls die Säure abtrennt, um ein im -wesentlichen reines Kieselsäurehydrosol zu erhalten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man die aus dem Hydrosol abgetrennte Säure im Kreislauf dem Verfahren wieder zuführt und sie zur Behandlung weiterer Mengen von Alkalisilikat verwendet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Säure Essigsäure verwendet.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Säure verwendet, die sich infolge ihrer Flüchtigkeit aus dein Hydroso@l durch Abtreiben entfernen läßt. j.
  5. Verfahren nach Anspruch .4., dadurch gekennzeichnet, daß man als Säure schweflige Säure oder Schwefeldioxyd verwendet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine flüchtige Säure verwendet und einen Teil des in der ersten Reaktionsstufe erhaltenen Hy drosolgemisches mit dem Kationenaustauscher in Berührung bringt, um ein saures Hydrosol zu erhalten, aus welchem man ein im wesentlichen reines Hydrosol und die Säure abtrennt, diese letztgenannte in eine Waschzone führt und sie mit dem Rest des Hydrosolgemisches aus- der ersten Reaktionsstufe auswäscht, worauf man aus dieser Waschzone ein säurereiches Hydrosolgemisch abzieht und dem Verfahren im Rücklauf -wieder zuführt, um weitere Mengen von Alkalisilikat mit ihm zu behandeln.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den PH-Wert des sauren, in der ersten Reaktionsstufe erhaltenen Hydrosols zwischen :2 und 5, vorzugsweise unter 3,5 hält. B. Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man solcheKonzentrationen der Ausgangssilikatlösung anwendet, daß das Hydrosol mehr als 51/o Kieselsäure enthält. Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 1 755 496.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US1755496A (en) * 1925-07-29 1930-04-22 Gen Zeolite Company Process of preparing siliceous materials

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